垂直腔面發射激光器(VCSEL)是一項久經驗證但直到最近才被挖掘的利基技術，由于智能手機及其它移動設備中引入的3D人臉識別應用，而突然變得非常熱門。

　　VCSEL之前主要作為一種低成本運動跟蹤和數據傳輸的光源技術用于計算機鼠標、激光打印機和光纖通信。但是，隨著蘋果公司(Apple)決定在其旗艦手機iPhone X中使用VCSEL進行3D人臉識別，使VCSEL技術有了新的發展方向。蘋果的這一技術抉擇，以及緊隨其后的智能手機和消費電子產品制造商的大量涌入，使整個VCSEL市場新的制造、測試和驗證規模不斷擴大。

　　“對于VCSEL市場，很多年來一直不溫不火，”Veeco首席技術官Ajit Paranjpe說，“但是隨著新應用的興起，VCSEL技術得到了顯著重視和改善。我們終于克服了學習曲線，實現大規模生產制造，當我們進入第二個大規模應用——采用VCSEL陣列的激光雷達(LiDAR)時，這將是自動駕駛所必需的關鍵技術。此外，VCSEL已經在服務器集群中用于機架到機架的通信。在板對板通信(例如光學背板)應用之后，理想的是芯片到芯片的通信，最終將采用全光互連。真正的問題是我們什么時候需要它。”

　　VCSEL只是少數幾種硅光子方案中的一類，開始吸引了市場的極大關注。整個半導體行業都在努力將這些技術中的一種或多種引入主流，尤其是在通過引線傳輸電子的先進節點變得愈發困難的情況下。

　　“在智能手機中有多個隱藏和非隱藏的攝像頭，”Synopsys光子解決方案研發總監Twan Korthorst說，“這些攝像頭可以識別用戶是否正在看手機并進行光學測量，這正是VCSEL的用武之地。這些模塊中有探測器、光源和圖像傳感器，VCSEL是其中的一個小型分立元件。”

　　什么是VCSEL?

　　客觀來說，VCSEL只是可以用于這些設備的基于芯片的眾多光源之一。VCSEL如此吸引人的原因是其激光垂直于器件發射，這有很多好處，包括從大規模生產制造到測試等方面。

　　“VCSEL可以使用晶圓探針和晶圓級測試，”Paranjpe說，“而對于邊發射激光器(EEL)，必須對晶圓進行切割，然后構建器件的其余部分并對其進行測試，這會使測試變得更加困難。”

　　不過，這并未減緩對VCSEL其它方面的研究，其中大部分研究集中于不同材料的堆疊，以及將部分或全部材料整合到一個封裝中。什么被放入封裝，或留在封裝外，仍在不斷研究中。

　　“目前大型代工廠正在開展一些有趣的工作，以打造連接不同芯片的光子元件，”西門子(Siemens)旗下子公司Mentor的Calibre DRC應用營銷總監John Ferguson說，“主要問題是光波導必須有一定的尺寸，大約幾個微米，必須留有一定的空間，這占用了不少空間。光子學不會從更先進的節點中受益，實際上到目前為止，65 nm是最先進的工藝節點。”

　　VCSEL的下一輪機遇是具有更高功率要求的LiDAR等汽車應用。這類應用需要使用更大的VCSEL陣列。

　　“這將需要采購更多的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)系統，以保證制造產能加速跟上LiDAR系統的需求，”Veeco產品營銷總監Mark McKee說，“現在的問題是如何實現最高的性能和最高的產率以滿足市場需求。這需要基于業界領先的MOCVD技術。關鍵要求是晶圓表面金屬-有機物和氫化物的均勻性和層流，均勻、可控的溫度，以及各層之間清晰的界面。為了實現最高的產率，制造平臺需要維護周期之間更長的可生產時間，預防性維護后的快速恢復，以及更快的外延生長速率。”

　　典型VCSEL剖面圖

　　VCSEL采用頻率為幾十個千兆赫茲的激光脈沖進行測距和飛行時間計算，通過每幀圖像之間的變化來識別運動。美國國家儀器公司(National Instruments)首席營銷經理David Hall指出，目前還不清楚這種方案是否可以用于改進LiDAR使用更長波長激光和連續掃描的趨勢。

　　Hall說：“3D人臉識別系統和LiDAR系統之間的要求似乎沒有太多重疊，3D人臉識別系統足夠經濟，可以集成到智能手機中;而LiDAR系統應該需要比VCSEL能夠達到的更遠距離的連續掃描。這兩種系統是否可以從彼此的方案中受益，還有待觀察。”

　　LiDAR是有前景的潛力市場，但汽車內部的3D運動檢測和3D人臉識別等短期機遇更具吸引力。蘋果公司VCSEL芯片供應商菲尼薩(Finisar)新市場副總裁Craig Thompson表示，“利用該技術可以識別駕駛員是否在打瞌睡，或使乘客可以用手勢控制信息娛樂系統或其它系統。”

　　2004年，Finisar收購了“霍尼韋爾(Honeywell)首次將VCSEL商業化的業務部”，并將市場從計算機鼠標和PC外圍設備擴展到數據網絡領域，此后一直致力于開發用于運營商級數據網絡設備的光纖-銅纜接口的VCSEL。

　　但并非所有人都贊同在LiDAR中采用當前形式的VCSEL。

　　“VCSEL激光往往接近可見光波段，因此，可能會在提高功率時具有一定的危險性，”Cadence杰出工程師Gilles Lamant說，“LiDAR需要非常高的功率，來獲得所需要的各種探測范圍，這可能會對人眼造成風險。盡管接近可見光波段，但它們的低功率應用是安全的，這就是為什么我們可以將它們用于3D人臉識別，以及相機測距等應用。”

　　基于結構光原理的3D攝像頭

　　Lamant表示，VCSEL的真正優勢在于其便利性、靈活性和功率，以及與其它激光源相比的熱效率。

　　“VCSEL垂直發光，這使得構建垂直于芯片的VCSEL陣列變得很容易，而且它們在相當寬的溫度范圍內都非常穩定，”Lamant說，“VCSEL還被證明可以在一個系統內編碼數據信號和發送數據。這將遇到頻率的限制問題，盡管如此，我們仍在尋找一種集成光學與硅基解決方案的方法。”

　　Thompson說：“VCSEL每瓦輸出的光也遠超其它激光光源。此外，VCSEL芯片引線也更容易，因為激光從頂部發出，可以在芯片下方進行電氣和熱管理。”

　　VCSEL的輸出功率也可以通過尺寸線性擴展。VCSEL每個激光出光孔是獨立且基本相同的。芯片上的孔徑越多，輸出的能量就越大，將它們全部連接到單個電源就可以使它們一起發射。將芯片布線不同的區域，可以使它們在不同的時間以不同的圖案發射，其功率輸出由出光孔的數量確定。

　　采用氮化鋁(AIN)腔體封裝的Finisar大功率VCSEL

　　“數據網絡設備應用的VCSEL在幾百微米見方的一顆芯片上有一個出光孔和一個發射點，”Thompson說，“而在高功率3D傳感VCSEL中，將有數百個出光孔，芯片將達到毫米見方。它是一種非常獨特、容易擴展的激光結構，就像是一種樂高(LEGO)積木技術。”

　　Ferguson說：“熱干擾或其它類型的噪聲可能會影響數據中心的VCSEL使用，但能夠識別這種干擾的測試并不常見。”

　　“這不像測試臺上用探針測試的IC，”Ferguson說，“你需要在這些器件的外部進行光信號處理，這并非易事。一些大型系統公司正在努力推動代工廠這樣做，以了解他們還可以利用這項技術做些什么，因為除了數據網絡以外，我們正看到越來越多的應用。汽車領域的光子學應用包括LiDAR和自動駕駛汽車，看起來VCSEL技術正獲得越來越多的關注。許多公司正在探索這項技術，現在已經有幾家公司我們預計會在明年推出相關的產品。”

　　Thompson說：“明年應該會推出很多應用VCSEL的產品。已經在生產、測試和驗證的VCSEL的數量將遠超以往。”

　　1996年霍尼韋爾商業化VCSEL之后，該技術在計算機鼠標及其它外圍設備領域成功了十年，自2004年以來，VCSEL一直作為運營商級數據網絡設備的光纖-銅纜接口光源而廣受歡迎。所有這些都是堅實的利基業務，但是一直非常“低調”，以至于芯片產業大多數人都沒有關注到VCSEL技術。但在iPhone X發布后，一切都改變了。

　　Thompson表示：“當時，設計一款能夠在用戶臉上投射30000個紅外光點，然后快速、準確地構建面部3D形貌，以為iPhone X實現Face ID身份驗證功能的大尺寸、高功率VCSEL，仍然存在一些挑戰。但最大的挑戰是如何滿足iPhone X的批量生產需求。蘋果公司當時宣布，它必須在2017年第四季度采購相比2016年全球同期制造量10倍的VCSEL晶圓。”

　　這就是為什么蘋果公司在2017年向Finisar提前支付了3.9億美元。其目標是將位于德州謝爾曼的閑置700000平方英尺的工廠變成“美國VCSEL之都”。Thompson說：“當它在今年晚些時候滿產能運營時，這座原本屬于MEMC和SunEdison的700000平方英尺制造工廠自身的VCSEL晶圓產能，將比過去整個VCSEL產業的產能高幾個數量級。”

　　VCSEL前景樂觀，眾廠商紛紛擴大產能

　　圖片來源：《VCSEL技術、產業和市場趨勢》

　　據麥姆斯咨詢報道，良好的iPhone X銷量引發其它安卓(Android)智能手機品牌廠商對3D傳感功能的強烈興趣。在iPhone X發布不到一年的時間里，安卓競爭對手們也開始采用類似的策略，集成各種3D傳感技術和人臉識別功能，可見VCSEL“殺手級”應用獲得了市場認可!

　　小米和OPPO的速度是最快的，2018年第二季度分別推出了小米8探索版和OPPO Find X兩款集成3D傳感技術的智能手機。其它Android智能手機廠商，如華為、vivo和三星，也陸續把VCSEL用于旗艦手機。預計VCSEL出貨量將從2017年的6.52億顆增長至2023年的33億多顆，2017～2023年的復合年增長率高達31%。

　　相比Finisar的3億顆VCSEL出貨量，Philips Photonics的出貨量已經超過10億顆。2018年，Philips Photonics投資了2300萬歐元，使其位于德國烏爾姆的VCSEL工廠產能翻了一番。而總部位于奧地利的艾邁斯半導體(ams)，則宣布將斥資2億美元在新加坡擴建VCSEL制造廠。

　　“值得注意的是，現在智能手機市場已經將VCSEL引入了主流，像蘋果這樣的巨頭已經承擔了VCSEL在智能手機應用中的開發以及成熟所需要的成本，”Thompson說，“使我們這些產業廠商有足夠的信心投入大量資金，擴大規模使VCSEL可以大批量生產。”

　　“在Face ID之前，標準的VCSEL制造幾乎完全基于MOCVD，MOCVD通常用于III-V族材料以制造多晶薄膜，而自動化晶圓測試和光束成像檢測等制造效率測量還處于‘初期且不成熟階段’。”Thompson說道。

　　“我們已經從3英寸轉向5英寸砷化鎵晶圓。我們在整個晶圓廠工藝中開發了一種更成熟的自動化晶圓級測試方法，這在幾年前還非常不成熟，”Thompson說，“我們必須為這些應用開發外延片，擴展供應鏈，借鑒射頻(RF)產業的經驗以開發新的計量方法和新的測試方案，開發自動化晶圓測試和探針。我們需要開發近場和遠場光學測試，以便在近距離和一定距離處對芯片及其輸出進行成像。我們還需要開發測試方法，以準確地測量大尺寸激光芯片上出光孔的數量和性能，以及紅外光如何被成形和聚焦。”

　　Finisar德州謝爾曼工廠于2018年7月開始運營，直到今年晚些時候才能達到滿產能，但已經提供了VCSEL制造商幾年前無法想象的產能。